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研發新合成生物回路 可精確預測輸出

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研發新合成生物回路 可精確預測輸出

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近些年來研究人員在設計和創造生物回路方麵取得了極大的進展。生物回路和電子回路一樣,能夠結合一係列不同的輸入以產生特定的輸出。然而,雖然這樣的生物回路裏的單個組件可以有精確和可預測的反應,但當將這些組件元素相結合時,產生的結果就不那麽好預測了。
 
研究人員在設計和創造生物回路方麵取得了極大的進展。
 
現在美國麻省理工學院的一支研究人員小組提出了一種極大減少不確定性的方法,他們引入了一種可以最終實現對生物回路進行可靠預測,就像對單個組件進行預測一樣的設備。這項由機械工程學副教授多米蒂拉·戴爾·維吉奧(Domitilla Del Vecchio)和生物工程教授羅恩·威斯(Ron Weiss)帶領進行的研究被發表在本周的期刊《自然生物科學》上。文章的首席作者是麻省理工學院生物工程研究生迪帕克·米什拉(Deepak Mishra),其它合作作者包括機械工程碩士研究生菲利普·利維拉(Phillip Rivera)和電子工程和計算機科學研究生林艾倫(Allen Lin)。
 
這樣的合成生物回路將有很多潛在的用途,戴爾·維吉奧和威斯解釋道。“我們目前正在研究的其中一項用途便是生物傳感——可以檢測環境裏特定分子並做出回應產生特定輸出的細胞。”戴爾·維吉奧解釋道。一個具體的例子便是,細胞可以檢測暗示癌細胞存在的標記,然後引發釋放殺死這些細胞的分子。
 
這樣的生物回路能夠精確的區別癌症細胞和非癌症細胞是非常重要的,目的是避免它們“傷及無辜”,威斯解釋道。為了實現這一目標,在細胞內利用生物元素產生可靠的信息處理回路變得“極其至關重要”。
 
到目前為止,這種具有可靠預測性的生物回路還無法實現,部分原因是當引入多個生物回路階段時所產生的反饋效應。在電子回路裏,當一個組件通過電線與另一個組件相連通時,信息總是朝一個特定方向流通,但生物回路有所不同,它的組件是在細胞內部非常複雜的液體環境裏隨意漂浮的。
 
信息流是由單個組件之間的化學反應所驅動的,理想情況是這種反應隻會影響特定組件。但在現實情況裏,試圖創造這樣的生物連接總會產生與預期不符的其它結果。“如果你組成回路並期待得到X的結果,但事實上你卻得到了Y,這就存在問題。” 戴爾·維吉奧說道。
 
為了解決這個問題,研究小組創造了一個名為加載驅動的設備,它的效應類似於電子回路裏所使用的加載驅動:它會在信號和輸出之間提供某種緩衝,從而阻止係統備份所帶來的信號幹擾和輸出延遲。
 
雖然這一研究仍處於早期階段,它可能還需要數年時間才能實現商業應用,但這一概念或可能產生廣泛的應用。例如,它可以促進研發某種持續測量糖尿病患者血液裏葡萄糖含量的合成生物回路,在需要的時候自動引發釋放胰島素。
 
戴爾·維吉奧表示,在設計生物回路裏額外引入加載驅動“可以逐步增強設計的回路的複雜性”,從而在確保操縱是“可靠和可預測的前提下”,開拓新的應用領域。美國波斯頓大學生物醫學工程教授詹姆斯·科林(James Collins)表示:“在合成生物學裏試圖創造複雜的基因回路往往會受到無法預期或回路子模塊之間無法定義的相互作用的阻礙。這些相互作用會改變子模塊的輸入-輸出特性,從而導致不合需要的回路特性。”科林並未參與這項研究。“戴爾·維吉奧和威斯在這一領域取得了重大進展,他們創造了一個可以解釋和糾正這樣相互作用的基因設備,從而實現可以預測的回路特性。”
 
這項研究得到了埃尼麻省理工學院能源研究獎學金、美國國家科學基金會、美國陸軍研究辦公室、美國空軍科學研究局和美國國家衛生研究院的資金支持。